Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Подготовка проекта и контракта в 6РПпо разделу IST (Information Society Technologies)
по схеме STREP (Specific Targeted Research or Innovation Project) в качестве полноправного участника
Килин С.Я.Лаборатория квантовой оптики,
Институт физики им. Б.И.Степанова, НАН Беларуси
SIXTH FRAMEWORK PROGRAMME
Раздел: Information Society Technologies
Тип проекта: SPECIFIC TARGETED RESEARCH OR INNOVATION PROJECT (STREP)Полное название проекта:
E ngineered Q uantum I nformation in N anostructured D iamond
(Конструируемая квантовая информация внаноструктурированном алмазе)
Proposal/Contract no.: IST-034368 Operative commencement date of contract: 1 January 2007
Цели проекта
• РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ МАСШТАБИРУЕМОГОПРОЦЕССОРА КВАНТОВОГО КОМПЬЮТЕРА НА ОСНОВЕОДИНОЧНЫХ ЦЕНТРОВ (ДЕФЕКТОВ) ВНАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ АЛМАЗЕ С ОПТИЧЕСКИМИНИЦИИРОВАНИЕМ И СЧИТЫВАНИЕМ СОСТОЯНИЯПРОЦЕССОРА
• РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ЭФФЕКТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ ДЛЯ КВАНТОВОЙ КРИПТОГРАФИИНА ОСНОВЕ ОДИНОЧНЫХ ЦЕНТРОВ ВНАНОСТРУКТУРИРОВАННОМ АЛМАЗЕ
BYIP NASPStepanov Institut of Physics, Academy of Science of Belarus
8AUSUoMUniversity of Melbourne7
DECAUChristian-Albrecht- Universitätzu Kiel
6UKE6Element 65DEUStuttStuttgart Universität4UKWarwickUniversity of Warwick3UKUoBUniversity of Bristol2FRENSCENS Cachan1
CountryParticipant short name
Participant namePartic. no.
Участники проекта
Минск, Международная конференция по квантовой оптике (ICQO’2006) 26-31 Мая 2006
J.Wrachtrup(Штутгарт, Германия)
J.Roch(Кэшон, Франция)
С.Я.Килин(Минск)
А.П.Низовцев(Минск)
Область науки, к которойотносится проект: Квантовые компьютеры иквантовая криптография
1
Квантовые компьютеры
“… законы физики не препятствуютуменьшению размера элементов компьютеров доразмеров атомов и тогда особенности квантовогоповедения становятся принципиальноважными…»
P. Фейнман (1985)
Конец закона Мура ?
Квантовая информация, кубиты…
〉+〉= 1|0| baψ
В обычной информатике носителем информации является бит, имеющий два возможных состояния: “0” и “1”
возможным состоянием которого является любая суперпозиция “0” и “1”В квантовой информатике носителем информации является кубит
Квантовая механика обеспечивает возможность параллельнойобработки информации и, за счет этого, - продолжения закона Мура
• Информация кодируется в квантово-механических состояниях• Необходимо обеспечить возможность инициирования, манипулирования и считывания квантовых состояний фотонов, атомов, молекул, ионов, спинов, квантовых точек и т.п. ….
Физические системы для реализацииквантового компьютера
- линейные ионные ловушки
- атом-поле в резонаторах
- квантовые точки
- сверхпроводящие цепи
- 31Р в кремнии(кв. компьютер Кэйна)
Центры «азот-вакансия» (NV) в алмазе
- фуллерены
- спины молекул, ЯМР
Впервые идея построения квантовогокомпьютера на одиночных спинах NV
центров в алмазе была изложена в 2001 г. в совместной статье
[Й.Врахтруп, С.Я.Килин, А.П.Низовцев, Оптика и Спектроскопия, 91 (2001) 429]
Криптография
В настоящее время - протокол RSA, смысл которого состоит в передаче большое число Z, являюще-гося произведением двух меньших чисел Z=X*Y.
- 127 * 129 = ? Легко (=29083) !- ? * ? = 29083 Непросто !
Для классических компьютеров трудность решения задачи факторизации увеличивается как O = 2n.Для факторизации современного кода RSA 129 требуется 8 месячная работа сотен компьютеров!
Анна
Борис
Зинаида
Шифратор
Дешифратор
НО: В 1994 г. Шор (P. Shor, AT&T, 1994) показал, что квантовые компьютеры, для которыхO = n2 , смогут решать задачу факторизации гораздо быстрее !!!
- угроза современной системе криптографии- необходимость разработки квантово-криптографических систем
Каждый бит передаваемой информации кодируется в состоянииодиночного фотона.
Законы квантовой механики обеспечивают безусловную защищенностьпередаваемых данных, а любая попытка осуществить перехват ключастановится известной пользователям
Одним из основных элементов квантово-криптографическихсистем является источник одиночных фотонов
Квантовая криптография
Фотонныйпистолет
по требованию испускает неразличимые фотоны
Источники одиночных фотонов на основеодиночных квантовых излучателей
Принцип:Одиночная квантовая система можетиспустить следующий фотон толькопосле того, как она будет вновьпереведена в возбужденное состояние
Одиночныйизлучатель
Экспериментальные реализации:
Электролюминесцентные ИОФ
Одиночный атом (ион) в резонаторе
Одиночная молекула, нанокристалл
Одиночная квантовая точка
Одиночный NV центр в алмазе
История
• 1994-1996 гг. - Проект «Квантовая оптика одиночных молекул и изолированных атомов имолекулярная компьютерная память», грант БРФФИ Ф18-203;
• 1995-1996 гг. - Проект «Спектроскопия одиночных молекул», грант ННФ США PHY-9414515, проф. П.Берман, университет Мичигана, Анн-Арбор, США;
• 1996-1997 гг. – Проект «Двухуровневые системы в спектроскопии одиночных молекул: экспериментальные и теоретические аспекты», грант Фонда «Фольксваген»проф. Фон Борцисковски, Технический Университет Кемница, Кемниц, Германия;
1991 г. – первые работы по спектроскопии одиночных молекул
Объект – эталонная система СОМ – примесные молекулы Пц в ПТФ
Наше участие
В 1997 г. в Кемнице были впервые в мире выполнены первыеэксперименты на одиночных NV центрах в алмазе!!! Уже в 1999 г. в фонд Фольксвагена был заявлен совместный проект «Квантовыевычисления с одиночными ядерными спинами», который тогда не прошел…
Позже - совместные гранты НАТО, ИНТАС…
Организация или участие в организациимеждународных конференций
ICQO - cерия международных конференций по квантовой оптике, организуемых и проводимых в Минске вот уже 20 лет.
ICQO’2006
Поддержка в БеларусиВ настоящее время по квантово-информационной тематике выполняется
7 проектов, финансируемых из республиканского бюджета
• Проект «Разработка оптических методов управления спиновыми состояниямипримесных центров окраски в кристаллах», ГКПНИ «Фотоника», 2006-2010 гг.
• Проект “Исследование квантовых корреляций в составных системах различнойразмерности”, ГПФНИ «Поля и частицы»”, 2006-2010 гг.
• Проект "Исследование свойств упорядоченных решеток центров окраски вблизинаноструктурированных алмазных поверхностей для целей создания твердотельныхквантовых компьютеров, биосенсоров и источников одиночных фотонов дляквантовой криптографии" , ГКПНИ "Наноматериалы и нанотехнологии«, 2006-2010 гг.
• Проект “Методы и алгоритмы генерации случайных последовательностей впространственно удаленных точках на основе квантово-информационных технологий”, ГКПНИ «Инфотех», 2006-2010 гг.
• Совместный российско-белорусский проект “Квантовая информатика: квантоваякриптография и материалы для квантовых компьютеров”, 2005-2007 гг., финансируетсяБРФФИ.
• Совместный германско-белорусский проект “Исследование синглет-триплетныхвзаимодействй и возможности управления молекулярной динамикой примесныхцентров в твердых матрицах”, 2005-2007 гг., финансируется БРФФИ.
• Проект «Моделирование квантово-механической динамики одиночных объектов внаноструктурах”, 2006-2008 гг., финансируется БРФФИ.
Спектроскопия NV центров;простейший квантовыйпроцессор на NV центрах
2
Центр «азот-вакансия» в алмазе(NV центр)
БФЛ
1.945 eV
(637 nm)
X,Y (ms=±1)
Z (ms=0)
3E
3AS=1
Одиночный центр - Одиночный Спин = Кубит !!!
2.88 GHz
Лазерное
Опт. возб.
ISC
Как создать NV центры?или нанокристаллы алмаза
(0-5 мкм, 10-12 карат)1. Возьмите алмаз
После облучения и отжига
3. Выполните отжиг при 1100 K для мигра-ции вакансий к атомам замещающего азота
2. Облучите его электронами(~2 MeV) для создания вакансий
После облучения
Экспериментальная установка(университет Штутгарта)
Оптическое
возбуж
дени
е
Оптический микроскоп МВ или РЧполе
300 μ
флу
оресценц
ия
300 нм
Одиночный NV центр
Сфокусированный лазерный пучок
Спектроскопия одиночных NV центровПервые эксперименты: A.Gruber, J.Wrachtrup et al. Science 276 (1997) 2912
600 650 700 750 800 850 900
0
200
400
600
800
zero phonon line
Fluo
resc
ence
(a. u
.)
Wavelength (nm)
2.84 2.86 2.88 2.90
0.90
0.95
1.00
MWZ
YX
fluor
esce
nce
(a.u
.)
MW frequency (GHz)
Спектр флуоресценции
-30 0 30
1
0
g(2)(τ
)
t, ns
g(2) функция - антигруппировка
Спектр ОДМР
0.5 μm
0.1 1 10 100 10000.0
0.5
1.0
1.5
τ2=300 ms
τ1=14.4 ms
corre
latio
n fu
nctio
n [g
(2) (τ
) -1]
time (ms)
g(2) функция - группировка
Фотофизическая модель NV центраExperiment: Jelezko et al,. APL, 81 (2002) 2160.
Model: Nizovtsev et al. Opt. & Spectr. 94 (2003) 910
X’
1AZ’
3E
3AX,Y
Z
Y’
ABksi
На основе анализа экспериментальных данных нами былапредложена модель NV центра, определены ее параметры
Оптическая ориентация электронного спинаNV центра
[A.P.Nizovtsev et. al., Physica B 340-342 (2003) 106]
B
Z’
Z
D(X,Y) kZ
SkS
kD
A
R
Воздействие красного лазера принизких темп. Переводит центр всостояния mS=±1 !!!
1A
3E
3AX,Y
Z
Z’Y’X’
2.88 GHz
AB
kT’S; kST’
MW
Воздействие зеленого лазера прикомнатных темп. переводит центр всостояние mS=0 !!!
Т.о. были найдены способы инициализации кубита!
0,5 1,0 1,5
0,9
1,0
1,1 23 dB
Fluor
esce
nce I
nten
sity (
a.u.)
MW pulse duration (μs)
Эксперимент: Jelezko et al. PRL 92 (2004) 076401.Теория: 7-уровневая модель (Низовцев и др. Оптика и Спектр., 2005)Последовательность импульсов
Laser
MW
2W=3.5 MHz
Время затухания нутацийодиночного спина ~ 1.3 мкс
Причина –наличие в алмазепримесного азота
Нужен ОЧЕНЬчистый алмаз !!!
Манипулирование кубитомс помощью микроволнового поля
π/2 π/2π
τ1 τ2
π pulse – 8 ns
0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800,92
0,94
0,96
0,98
1,00
1,02
1,04
1,06
T2= 350 мкс!!!
Fluo
resc
ence
, a. u
.
τ2, µs
New diamond sample with low N content - [F.Jelezko et. al. Report at ICQO’04 (Minsk)]
T2= 2500 мкс!!!
Перспектива !!!
Фотонное эхо в чистых образцах алмаза
1
23
N-V center in diamond
3A
3E
FS+HFS in the 3A stateof single NV+ single 13C
32
0 1
ZPL637 nm
MW~2.88 GHz
RF~ 130 MHz
ODMR spectra for NV and NV+ 13C single centers
(Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501)
I(12C)=0, но
I(13C)=1/2
(содержание ~1.1%)
Двух-кубитовый процессор на NV - центрах
И.А.Пушкарчук и др. Опт. И Спектроскопия, 2005
0 3 5 8 10 13 15 18 20 23 25 28 30 33 35 380,00
0,05
0,10
0,15
0,20
C17(3)
C13(2)C4(1) N19
C34(3)C25(2)C21(1)
Spin
dens
ity on
the a
tomic
nucle
ous (
a.u.)
Number of atoms in cluster
Нанокластеры C36H42 [NV]Структура
Рассчитанное распределениеспиновой плотности по атомам
кластера
Квантово-химический анализ NV в алмазе
12
3
12
3N
0 1 2
0,7
0,8
0,9
Rel
. flu
ores
cenc
e ch
ange
s
RF pulse duration (μs)
Ar+ laser
MW
RF
π-pulse π-pulse
0 Т
Последовательность импульсов
Эксперимент: Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501.Теория: Низовцев и др. , Опт. И Спектроскопия, 2005
MW pulsed
RF pulsed
Ar+laserpulsed
Fluor.
RF pi-pulse
Z
I=-1/2
I=1/2
Время когерентности: T1~ мин, T2~3 мкс Новые образцы: T2 >30 мкс !
Манипулированиеодиночным ядерным спином 13C
1st qubit: electron spin of NV center2nd qubit: nuclear spin of 13C
↑↑
A:2800 MHzB:2940 MHz
C:130 MHzD:10 MHz
ESR NMR (ENDOR)
A B
C
↑↑= 00
1↓↑= 0
1↑↓= 0
11↓↓=
1
3
0
2
D
Двухбитовый квантовоый процессорЭксперимент: Jelezko et al. PRL 93 (2004) 130501.
N+пучок5 нм Алмаз
NV центр
Точность - 1 нм
В настоящее время: инициализация, манипулирование, считывание спиновых состоянийВ будущем:- увеличить время T2 (чистые алмазы)- улучшить эфективность детектирования фотонов- увеличить количество кубитов
d~5 нм
Перспективы: Масштабируемый процессор на NV центрах
Задача (технологическая!): Создать упорядоченнуюсовокупность NV центровв чистом наноструктурированномалмазе
Имплантация ионов (Австралия)
N+ ions
1,1µm
surface
depth ~500nm FWHM
2
4 2
4
4
6
Y Axis
105 N104 N103 N
N+ ions, 2MeV
10μm
[J.R. Rabeau et al. Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 23113, (26) (2005) 261909]
J. Meijer (Bochum)
I.Rangelow ( Kassel)
Достижение точности 5 нм(Германия)
Left: Nanoscale antenna structure in diamond.
Right: Plot of electric fields on resonance (red is most intense) showing the suppression of side emission and enhancement of emission into the forward mode
Управление спонтанным испусканием NV центров в алмазе
Источники одиночных фотоновна одиночных NV и NE8 центрахдля квантовой криптографии
3
Испускание NV центра и пропусканиеатмосферы
NOT SO GOOD !
Stable RT SPS for near infraredat single NE8 centers in diamond
T Gaebel, I Popa, A Gruber, M Domhan, F Jelezko and J Wrachtrup, New Journalof Physics 6 (2004) 98
(+) - Decay time – 11.5 ns;- Stable at room temp. ;- Linewidth, 20 cm−1 at
RT, is much lower thanthat of the NV-centre
(-) presence of darkmetastable state withlifetime is 170 ns
First telecom window
g(2)(0)=0 – single emitter
Цель: создание источника одиночныхфотонов, сопряженного с оптоволокном
J. Rabeau, cond-mat/0411249
Лазер накачки Одиночные фотоны
Фильтр
NE8 центры
Оптоволокно
Резюме
Составляющие успеха и вхождения в европейскиерамочные программы:
- активная многолетняя работа в перспективномнаправлении
- наличие международных связей, по возможностиподтвержденных совместными проектами
- организация или участие в организациимеждународных конференций
- поддержка тематики в Беларуси
Спасибо за внимание!